JP4191564B2 - アバランシ・フォトダイオード - Google Patents

Description

本発明は、アバランシ・フォトダイオードに関し、より詳細には、安定かつ長寿命の長波長帯の超高速アバランシ・フォトダイオードに関する。

アバランシ・フォトダイオード（ＡＰＤ）は、光吸収により発生したキャリアの数を「なだれ増倍機構」により増大させるという特徴を有し、低ノイズの光レシーバとして用いられるデバイスである。最近の一般的な長波長帯向けＡＰＤには、光吸収層となだれ増倍層とを分離した構成であるＳＡＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）構造が採用されている（例えば、非特許文献１および特許文献１参照）。

このＳＡＭ構造は、バルク結晶またはバンドギャップエネルギが互いに異なる半導体層を交互に積層させた超格子層により形成されたアバランシ層（なだれ増倍層）と光吸収層（光電変換層）とを機能的に分離独立させたものである。この構造によれば、なだれ増倍層のバンドギャップエネルギを光吸収層のそれよりも大きくすることにより、ｐｎ接合の暗電流を低減することができる。すなわち、光吸収層に高電界が印加されると、そのバンドギャップエネルギが小さいためにトンネル現象による暗電流が増大するので、ｐｎ接合の電圧のほとんどがなだれ増倍層にかかるように設計される。

ＡＰＤにおいて低ノイズのデバイス動作を確保するためには、逆バイアスされた状態でｐｎ接合部に生じる暗電流を一定レベル以下にすることが重要であり、さらに、暗電流の経時的な増加がなく安定で長寿命の素子を実現することも必須である。

１．５μｍ帯で使用されるＡＰＤ素子の基本的な形状はいわゆるメサ形であり、電界が比較的高いなだれ増倍領域の周辺やなだれ増倍層の側面表面だけではなく、空乏化した光吸収層の側面も暗電流の発生源となる。特に、ＡＰＤ素子の一般的な構成材料とされる化合物半導体の表面には深い準位が高密度に存在し、「発生再結合電流」が流れる。素子を長時間にわたって動作させるとこの発生再結合電流が表面の深い準位密度を増大させて表面劣化が進行し、暗電流がさらに増加する結果となる。このように、表面に起因する暗電流は素子の寿命を律則する大きな要因となることから、安定で長寿命のＡＰＤを実現するためには、表面に印加される電界強度を下げることが重要となる。

従来から素子構造に工夫が施されてきた結果、現在では、「傾斜メサ構造」と「ｐ型拡散電極層構造」（例えば、非特許文献２参照）とが採用されるようになっている。このうち「傾斜メサ構造」は電子注入型のＡＰＤに用いられ、「ｐ型拡散電極層構造」はホール注入型のＡＰＤに用いられる。なお、逆の組合せがないのは、半導体基板側を抵抗の低いｎ型電極層とする必要があるからである。高速動作の観点からは電子注入型のＡＰＤが有利であり、近年では、ＩｎＧａＡｓを光吸収層、ＩｎＡｌＡｓをなだれ増倍層とするＡＰＤが注目されている。先にも述べたように、ｎ型電極層を基板側にとるかぎり、この電子注入型のＡＰＤにはｐ型拡散電極を作製することができず、メサ構造とせざるを得ない。

特開平３−２３１４７７号公報 H. Kanbe et. al., "InGaAs Avalanche Photodiode with InP p-n Junction" Electronic Letters, Vol. 16, pp.163-165 (1980). Y. Kito et. al., "High-Speed Flip-Chip InP/InGaAs Avalanche Photodiodes with Ultralow Capacitance and Large Gain-Bandwidth Product", IEEE Trans. Photonics Tech. Lett., Vol.3, pp.1115-1116 (1991).

図５は、傾斜メサ構造を有する従来のＡＰＤの構成を説明するための図で、このＡＰＤは、図示しない基板の上に電極特性を得るための充分なドーピングがなされたｎ型電極層５１を設け、この上に、なだれ増倍層５２と、電界制御層５３と、電界緩衝層５４と、バンドギャップ傾斜層５５と、光吸収層５６と、電極特性を得るための充分なドーピングがなされたｐ型電極層５７とが順次積層され、ｎ型電極層５１およびｐ型電極層５７には各々の電極層に対応する金属電極５８および５９が設けられて構成されている。

この構造のＡＰＤでは、なだれ増倍層５２の側面が傾斜している分だけ光吸収層５６となだれ増倍層５２の側面における電界強度を下げることができる。しかしながら、例えこれらの側面に４５°の傾斜を施しても電界強度の低減割合は１／１．４程度（約７０％）が限界であり、必ずしも充分な電界強度低減効果を得ることができるわけではない。また、このような傾斜を施すために高度な加工技術が要求される。このような理由により、電子注入型のＡＰＤは、例え動作初期の暗電流が低くても、動作時間に伴って暗電流が増大しやすく、安定で長寿命の素子の実現が困難であるという問題があった。

図６は、ｐ型拡散電極層構造を有する従来のＡＰＤの構成を説明するための図で、このＡＰＤは、図示しない基板の上に電極特性を得るための充分なドーピングがなされたｎ型電極層６１を設け、この上に、光吸収層６２と、バンドギャップ傾斜層６３と、電界緩衝層６４と、電界制御層６５と、なだれ増倍層６６とが順次積層され、このなだれ増倍層６６の表面からアクセプタとなる不純物を拡散させて形成したｐ型電極領域６７が設けられている。したがって、いわゆる「なだれ増倍層」としての実効的な効果を奏するのは、ｐ型電極領域６７と電界制御層６５との間に位置することとなる領域（なだれ増倍領域６６ａ）である。なお、ｎ型電極層６１およびｐ型電極領域６７には各々に対応する金属電極６８および６９が設けられている。

この構造のＡＰＤでは、ｐ型電極領域６７を形成するためのアクセプタの拡散深さに相当する「拡散フロント位置」を素子表面から深い位置に設定することにより、なだれ増倍領域６６ａの周辺部のｐ型電極領域６７と接する部分の電界集中を緩和することが可能となる。現在実用化されている長寿命の超高速ＡＰＤの殆どはこのｐ型拡散電極層構造により作製されているが、このｐ型拡散電極層構造では、拡散フロント位置がなだれ増倍領域の縦方向（積層方向）の厚さを決定することとなるために高精度の不純物拡散制御が必要となり、素子製造歩留まり低下の要因となることに加え、電子注入型のＡＰＤには適用できないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、安定かつ長寿命の長波長帯の超高速アバランシ・フォトダイオードを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、第１の発明は、アバランシ・フォトダイオードであって、基板上に、ｎ型電極層となだれ増倍層と電界制御層と電界緩衝層とバンドギャップ傾斜層と光吸収層とｐ型電極層とが順次積層された積層構造を有し、前記ｎ型電極層は、ｎ型の第１の電極層と当該第１の電極層の主面の一部領域に設けられ、かつ、少なくとも一部にｎ型領域を有する第２の電極層とで構成されるとともに、前記光吸収層と前記第２の電極層のｎ型領域とは対向して設けられており、当該第２の電極層のｎ型領域を画定する外周は、前記なだれ増倍層の下面の外周に対して内側に位置するように設定され、前記バンドギャップ傾斜層を上面とし、かつ、前記なだれ増倍層を下面とする第１のメサ構造の上に、前記ｐ型電極層を上面とし、かつ、前記光吸収層を下面とする第２のメサ構造が、前記第１のメサ構造の上面である前記バンドギャップ傾斜層の表面外周部に一定の幅を有するように配置されて設けられ、前記第２のメサ構造の外周は、前記第２の電極層のｎ型領域を画定する外周の外側に位置するように配置されていることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記第２の電極層のｎ型領域は、当該第２の電極層の外周側の所定領域を除く部分に設けられていることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記第２の電極層は、上面が下面よりも狭いテーパー形状を有していることを特徴とする。

本発明によれば、ｎ型電極層を、第１のｎ型電極層と第２のｎ型電極層とで構成することとし、第２のｎ型電極層のｎ型領域が、なだれ増倍層の外周に対して充分内側に位置するようにオーバーハングの程度を設定することとしたので、なだれ増倍層の側面側の領域での電束密度は比較的低いものとなりこの領域での電界強度が低下して、光吸収層とｐ型電極層の各側面での電界強度も低減されるとともに、なだれ増倍層の表面に集中する暗電流を低減させて、安定かつ長寿命の電子注入型ＡＰＤを実現することが可能となる。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明のＡＰＤの第１の構造例を説明するための図で、このＡＰＤでは、図示しない半導体基板の上に設けられたｎ型半導体の第１のｎ型電極層１１と、この第１のｎ型電極層１１の主面の一部領域に設けられた第２のｎ型電極層１２とでｎ型電極を構成している。そして、この第２のｎ型電極層１２の上には、なだれ増倍層１３と電界制御層１４と電界緩衝層１５とバンドギャップ傾斜層１６とが順次積層された構造体が、第２のｎ型電極層１２の上表面から水平方向に張り出す（オーバーハング）ように設けられている。また、バンドギャップ傾斜層１６の主面の一部であって第２のｎ型電極層１２に対向する領域には、光吸収層１７とｐ型電極層１８とが順次積層され、さらに、第１のｎ型電極層１１およびｐ型電極層１８には各々の電極層に対応する金属電極１９および２０が設けられている。

すなわち、このＡＰＤでは、バンドギャップ傾斜層１６を上面とし、なだれ増倍層１３を下面とする第１のメサ構造の上に、ｐ型電極層１８を上面とし光吸収層１７を下面とする第２のメサ構造が、第１のメサ構造の上面であるバンドギャップ傾斜層１６の表面外周部に一定の幅を有するように配置されて設けられ、かつ、第１のメサ構造が第２のｎ型電極層１２の上表面から水平方向に張り出す（オーバーハング）ように設けられている構造が採用されている。

このような構造は、例えば以下のような手順により形成することが可能である。先ず半導体基板の上にＡＰＤの構成に必要な各半導体層を順次エピタキシャル成長させ、その後に光吸収層１７とｐ型電極層１８とをメサ加工する。そして、第２のｎ型電極層１２からバンドギャップ傾斜層１６までの積層体をメサ加工し、さらに第２のｎ型電極層１２の一部を側面からエッチングで除去してオーバーハング加工を施す。なお、電極加工は上記各工程の間に実行してもよく最後に行なうようにしてもよい。

この構造のＡＰＤの動作状態においては、バンドギャップ傾斜層１６、電界緩衝層１５、電界制御層１４、および、なだれ増倍層１３の各層の、光吸収層１７のメサ直下に位置する各領域は空乏化してＡＰＤ動作可能な領域となる。この空乏化は光吸収層１７のメサ直下に位置する各層の各領域から徐々に横方向へと広がり、この空乏化領域の拡大に伴って素子表面の電位は低下する。表面電位が一定の程度（これは素子構造などのファクタにより決まる）まで低下すると、電界制御層１４の側面側に電気的に中性な中性化領域１４ａが発生して側面側の表面電位が一定値に保たれるようになる。すなわち、第１のメサ構造表面の電位は、第２のメサ構造の端から遠ざかるにつれ低下し、この電位低下に伴い電界制御層１４中に中性化領域１４ａが自動的に発生し、電界制御層１４のドーピング濃度とリーク電流で決まるある電位に固定される。ここで説明した様な電位の分布や中性層の発生は、本発明の構造に限らず、光吸収層１７のメサがその下の各層のメサの内側に配置されている構造では一般的なものである。すなわち本発明は、第２のｎ型電極層１２を１３〜１６層からなるメサの内側に配置することに特徴がある。

このような状態でのＡＰＤ素子内での模式的な電気力線を図中に２１で示している。本実施例では、第２のｎ型電極層１２の外周が第１のメサ構造の下層であるなだれ増倍層１３の外周に対して充分内側に位置するようにオーバーハングの程度が設定されているので、なだれ増倍層１３の側面側の領域での電束密度は比較的低いものとなる。この電束密度の低下は、第１のｎ型電極層１１の主面となだれ増倍層１３の下面との間に第２のｎ型電極層１２の厚み分だけのギャップがあるためである。なお、なだれ増倍層１３のオーバーハング部分の誘電率が小さいほど電束密度低減の効果は大きい。なだれ増倍層１３の側面領域での電束密度の低下はこの領域での電界強度の低下を意味するから、光吸収層１７側面の電界強度が下がり暗電流が低減されるとともに、なだれ増倍層１３の側面に集中する暗電流を低減させて、安定かつ長寿命の電子注入型ＡＰＤを実現することが可能となる。

図２は、本発明のＡＰＤの第２の構造例を説明するための図で、このＡＰＤでは、図示しない半導体基板の上に設けられたｎ型半導体の第１のｎ型電極層１１と、第１のｎ型電極層１１の主面の一部領域に設けられた第２の電極層２２と、この第２の電極層２２の外周側の一定領域を除く部分に形成された第２の電極層のｎ型部分２２ａとでｎ型電極を構成し、さらに、第２の電極層２２（および第２の電極層のｎ型部分２２ａ）の上には、なだれ増倍層１３と電界制御層１４と電界緩衝層１５とバンドギャップ傾斜層１６とが順次積層された構造体が設けられている。また、バンドギャップ傾斜層１６の主面の一部であって第２の電極層のｎ型部分２２ａに対向する領域には、光吸収層１７とｐ型電極層１８とが順次積層され、第１のｎ型電極層１１およびｐ型電極層１８には各々の電極層に対応する金属電極１９および２０が設けられている。ここで、第２の電極層のｎ型部分２２ａの外周は、バンドギャップ傾斜層１６を上面とし第２の電極層２２を下面とする第１のメサ構造の外周の内側に一定の幅を有するように設けられる。

すなわち、このＡＰＤは、バンドギャップ傾斜層１６を上面とし第２の電極層２２を下面とする第１のメサ構造の上に、ｐ型電極層１８を上面とし光吸収層１７を下面とする第２のメサ構造が、第１のメサ構造の上面であるバンドギャップ傾斜層１６の表面外周部に一定の幅を有するように配置されるとともに、第２の電極層２２の内部に形成される第２の電極層のｎ型部分２２ａの外周が第１のメサ構造の外周の内側に一定の幅を有するように設けられることで、第１のｎ型電極層１１の主面となだれ増倍層１３の下面との間に第２の電極層２２の厚み分だけのギャップを設けることと実質的に同一の効果を得ている。

このような構造は、例えば、半導体基板の上に第１のｎ型電極層１１と第２の電極層２２とを順次エピタキシャル成長させ、第２の電極層２２の所定の領域にイオン注入などの手法によりドナーとなるイオンをドーピングして第２の電極層のｎ型部分２２ａを形成し、再度、各層を構成する半導体層をエピタキシャル成長させた後に、メサ加工と電極加工を行なうことで得ることが可能である。

この構造のＡＰＤの動作状態および電界制御層１４の中性化領域１４ａの形成プロセスは実施例１で説明したとおりである。中性化領域１４ａが発生している状態でのＡＰＤ素子内での模式的な電気力線を図中に２１で示している。本実施例では、第２の電極層のｎ型部分２２ａの外周が、なだれ増倍層１３の外周に対して充分内側に位置するように第２の電極層のｎ型部分２２ａが形成されているので、なだれ増倍層１３の側面側の領域での電束密度は比較的低いものとなる。なだれ増倍層１３の側面領域での電束密度の低下はこの領域での電界強度の低下を意味するから、なだれ増倍層１３の側面に集中する暗電流を低減させて、安定かつ長寿命の電子注入型ＡＰＤを実現することが可能となる。

図３は、本発明のＡＰＤの第３の構造例を説明するための図で、このＡＰＤの基本構造は、バンドギャップ傾斜層１６を上面としなだれ増倍層１３を下面とする第１のメサ構造の上に設けられた、ｐ型電極層１８を上面とし光吸収層１７を下面とする第２のメサ構造が、第１のメサ構造の上面であるバンドギャップ傾斜層１６の表面外周部に図１に示したＡＰＤよりも狭い幅を有するように配置されて設けられていること以外は図１に示した構造と同様である。なお、このＡＰＤの製造プロセスは実施例１で説明したものと同様である。

この構造のＡＰＤの動作状態においても、バンドギャップ傾斜層１６、電界緩衝層１５、電界制御層１４およびなだれ増倍層１３の、第２のｎ型電極層１２の直上に位置する各領域は空乏化してＡＰＤ動作可能な領域となる。この空乏化は、第２のｎ型電極層１２の外周が第１のメサ構造の下層であるなだれ増倍層１３の外周に対して充分内側に位置するようにオーバーハングの程度が設定されていれば徐々に横方向へと広がり、この空乏化領域の拡大に伴ってなだれ増倍層１３の下面表面の電位は低下する。表面電位が一定の程度（これも素子構造などにより決まる）まで低下すると、電界制御層１４、電界緩衝層１５およびバンドギャップ傾斜層１６各層の側面側に中性化領域１４ｂが発生して、電界制御層１４の表面電位が一定値に保たれるようになる。すなわち、本構造は、光吸収層１７の側面のバンドギャップ傾斜層に接する部分の電位降下が少なく、電界の発生と空乏化を抑えることができるのが特徴である。これは、光吸収層１７の側面に起因する暗電流を低減させる。

このような状態でのＡＰＤ素子内での模式的な電気力線を図中に２１で示している。実施例１で説明したのと同様のメカニズムにより、なだれ増倍層１３の側面側の領域での電束密度は比較的低いものとなり、なだれ増倍層１３の側面の電界強度は低下する。なだれ増倍層１３の側面領域での電束密度の低下はこの領域での電界強度の低下を意味するから、なだれ増倍層１３の表面に集中する暗電流を低減させる。上で述べた光吸収層１７側面の暗電流の低下と併せて、本構造は、安定かつ長寿命の電子注入型ＡＰＤを実現することが可能となる。

図４は、本発明のＡＰＤの第４の構造例を説明するための図で、このＡＰＤの基本構造は、第２のｎ型電極層２３の形状をテーパー状としたこと以外は図２に示した構造と同様である。なお、このテーパー状の第２のｎ型電極層２３は、その半導体組成を厚さ方向に徐々に変化させ、これを選択的にエッチングすることでオーバーハング加工を行うことで形成可能である。

第２のｎ型電極層２３の形状をテーパー状とすると、図中に電気力線２１で示したように、第２のｎ型電極層２３の側面からなだれ増倍層１３の側面側へと向かう電気力線が第２のｎ型電極層２３の外周部付近に集中する程度が緩和され、なだれ増倍層１３の裏面側領域での表面電界強度は低下する。これにより、光吸収層１７の側面やなだれ増倍層１３の側面のみならず、なだれ増倍層１３の裏面での表面暗電流が低減されて、安定かつ長寿命の電子注入型ＡＰＤを実現することが可能となる。

本発明のＡＰＤの第１の構造例を説明するための図である。 本発明のＡＰＤの第２の構造例を説明するための図である。 本発明のＡＰＤの第３の構造例を説明するための図である。 本発明のＡＰＤの第４の構造例を説明するための図である。 傾斜メサ構造を有する従来のＡＰＤの構成を説明するための図である。 ｐ型拡散電極層構造を有する従来のＡＰＤの構成を説明するための図である。

符号の説明

１１ 第１のｎ型電極層
１２、２３ 第２のｎ型電極層
１３ なだれ増倍層
１４ 電界制御層
１４ａ 中性化領域
１５ 電界緩衝層
１６ バンドギャップ傾斜層
１７ 光吸収層
１８ ｐ型電極層
１９、２０ 金属電極
２１ 電気力線
２２ 第２の電極層
２２ａ 第２の電極層のｎ型部分
５１、６１ ｎ型電極層
５２、６６ なだれ増倍層
５３、６５ 電界制御層
５４、６４ 電界緩衝層
５５、６３ バンドギャップ傾斜層
５６、６２ 光吸収層
５７ ｐ型電極層
５８、５９、６８、６９ 金属電極
６６ａ なだれ増倍領域
６７ ｐ型電極領域

Claims (3)

1. 基板上に、ｎ型電極層となだれ増倍層と電界制御層と電界緩衝層とバンドギャップ傾斜層と光吸収層とｐ型電極層とが順次積層された積層構造を有し、
   前記ｎ型電極層は、ｎ型の第１の電極層と当該第１の電極層の主面の一部領域に設けられ、かつ、少なくとも一部にｎ型領域を有する第２の電極層とで構成されるとともに、前記光吸収層と前記第２の電極層のｎ型領域とは対向して設けられており、
   当該第２の電極層のｎ型領域を画定する外周は、前記なだれ増倍層の下面の外周に対して内側に位置するように設定され、
   前記バンドギャップ傾斜層を上面とし、かつ、前記なだれ増倍層を下面とする第１のメサ構造の上に、前記ｐ型電極層を上面とし、かつ、前記光吸収層を下面とする第２のメサ構造が、前記第１のメサ構造の上面である前記バンドギャップ傾斜層の表面外周部に一定の幅を有するように配置されて設けられ、
   前記第２のメサ構造の外周は、前記第２の電極層のｎ型領域を画定する外周の外側に位置するように配置されていることを特徴とするアバランシ・フォトダイオード。
2. 前記第２の電極層のｎ型領域は、当該第２の電極層の外周側の所定領域を除く部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアバランシ・フォトダイオード。
3. 前記第２の電極層は、上面が下面よりも狭いテーパー形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のアバランシ・フォトダイオード。

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